＊周历科 杨中贵 胡旭 张勇

（西南化工研究设计院有限公司 四川 610225）

变压吸附技术又名PSA，该技术是一种新型分离气体的技术，同时还具有气体净化功能，在工业中产生的污染气体使用变压吸附气体分离技术可以减轻空气污染，在最近30多年的时间里变压吸附气体分离技术得到各行业的运用以及认可[1]。相关资料显示，20世纪40年代在德国就有关于无热吸附净化空气的书出版，美国是第一个成功利用该技术将含氢废气的中氢气进行提取。在国外很早就有关于气体分离和净化的技术出现。变压吸附技术虽然是一种相对新型的技术，由于该技术投入资金少，使用过程简单易懂，污染环境小等优点，如今被应用于各大工业中，同时创造出的价值也是非常高的，在各国的化工行业、煤化工行业、环保等，都是可以利用变压吸附技术[2-5]。

1.变压吸附分离技术简介

20世纪40年代左右德国的Hkahle首次提出了关于变压吸附一词，同时德国有关于无热吸附净化空气的专利。由于在当时经济发展萧条，变压吸附分离技术所使用的吸附剂并没有当今的效果好，当时比较常见的吸附剂有硅胶、活性炭等。空气含量中的氧气和氮气是很难被吸附的，这主要原因是变压吸附分离技术不够成熟，导致在进行气体分离的时候吸附性弱，分离效果差，难以进行气体分离[6]。在1950年后变压吸附分离技术开始出现在人们的世界里，被工业领域重视，变压吸附分离技术才得以发展起来。德国在气体分离中实现了分离氢气，在尾气中分离出纯净的氢。目前各个国家已经开始关注到变压吸附技术给人们带来的益处，开始大量进行变压吸附技术的研究，现在变压吸附技术基本商品化，变压吸附技术市场竞争越来越激烈。

目前，在我国工业中也逐渐重视变压吸附技术的使用，并且在相关研究人员的不懈努力下，变压吸附技术的发展也越来越成熟，变压吸附技术被运用到除工业外的其他行业中，其中包括电子、化工、医疗、环保等。变压吸附技术在我国不断的发展起来，我国在研究变压吸附技术中也取得非常多的成绩，尤其是中国西南化工研究设计院获得了最高的成就，与林德公司、UOP公司并列为全球变压吸附三大专业研究设计院。在变压吸附领域有我国的一席之地离不开研究人员的努力，在中国西南化工研究设计院中为研究变压吸附技术进行无数的实验，才研究出来，同时还对变压吸附技术不断的融入新技术，不断的进行创新。变压吸附技术现在节约成本的基础上，还简化了操作流程，在一定程度上提高了气体分离技术。我国应用比较传统的低温、电解等方法，已经逐渐淡出人们的视线中，取而代之的是变压吸附技术。

2.变压吸附分离技术基本原理

变压吸附的基本原理与压力变化有很大的关系，主要是采用气体组分在固体材料上的吸附特性的差异进行的，同时还利用变压吸附分离技术气体中吸附量随压力进行不断变化的特性，进行气体的分离[7]。氢的提取在工业中是比较常见的，也是不可缺少的，所以工业中利用变压吸附分离技术进行。传统分离气体技术中，变压吸附分离技术之所以脱颖而出，在于成本花费低，气体分离技术高效等特点，变压吸附分离技术不断代替传统分离提取气体技术，在各大行业不断冒尖，不断发展。变压吸附分离技术在20世纪实现工业规模的制氢，变压吸附分离技术制氢的效果得到人们重视，于是不断有研究人员开始关注变压吸附分离技术，也是这样变压吸附分离技术获得了迅速的发展。该技术在我国的工业得到不断的发展，在进行氢气的分离提纯操作中，我国基本都是采用PSA分离技术，在我国原来传统的低温法、电解法等，由于使用耗能，操作过程复杂，投入资金大等缺点，这些技术已经很少在使用。变压吸附分离技术可以得到在二氧化碳气体，主要是在合成氨变换气中脱除二氧化碳，这个过程所得的产物能够让小型的合成氨厂的液氨产量得到相应的提高，能够节约一定的成本。变压吸附分离技术提纯二氧化碳，能够在工业废气制取食品级二氧化碳。变压吸附分离技术还能够进行气体中NOx的脱除、硫化物的脱除等，对于保护环境方面是有很大的应用价值，发展前景也是可观的[8-9]。

3.变压吸附气体分离技术特点

变压吸附技术的发展也越来越成熟，变压吸附技术被运用到除工业外的其他行业中，其中包括电子、医疗、环保等，变压吸附技术有以下优点[10]：

（1）变压吸附技术使用过程中消耗能源比较低，变压吸附技术在压力方面适应比较广，对于部分有压力的气体可以很好的展示变压吸附技术的优点，省去二次加压的能耗，在一定程度上变压吸附技术满足低能耗的特点，而且变压吸附技术还可以在常温下进行使用，这样就节约了加热和冷却过程，同时节约能耗。所以变压吸附技术能耗低是其最重要的优点。

（2）变压吸附技术在制取气体的过程中所提出的产物在纯度方面也是非常高的，而且在操作的过程中还可以进行高灵活调节。变压吸附技术制取氢的过程中，其氢的纯度可达99.999%，还能根据所需要的氢的纯度自行进行调节，这很大程度上满足个行业对气体纯度要求。

（3）变压吸附技术在使用过程中其操作也是非常简单，不需要太复杂的步骤，在一定程度上可以方便人们的使用。由于变压吸附技术对水、硫化物、烃类等有较强的承受能力，在进行变压吸附操作时减少传统技术中预处理工序，使操作流程简单。

（4）变压吸附技术自动化程度高，在如今机器高智能发展时代，机器的自动化功能是非常重要的，变压吸附技术也不例外。变压吸附技术装置是由计算机控制，在进行气体制取的时候，操作过程全自动化，只需要有工人稍加巡视即可，变压吸附技术这个过程全自动进行。一般在30min就能得到合格的产物。

（5）变压吸附技术的资金投资比较小，在我国小型的企业就可以使用变压吸附技术，维护简单，检修时间少，开工率高。

（6）变压吸附技术的吸附剂与传统的吸附剂不同，变压吸附技术的使用时间变长，一般一台变压吸附机器能用上10年左右，而且吸附效果也好。

（7）变压吸附技术装置对环境是没有污染的，对保护环境方面有重要的价值，工业中使用变压吸附技术装置可以减少污染气体的排放，达到保护环境的目的。

4.变压吸附气体分离技术应用研究

(1)在二氧化碳中应用

变压吸附回收二氧化碳即合成氨生产过程中脱碳工序。变压吸附气体分离技术就可以运用在这个过程中。变压吸附气体分离技术之所以脱颖而出在于成本花费低、净化程度高、气体分离技术高效等，变压吸附分离技术不断代替传统分离提取气体技术。美国开始把变压吸附气体分离技术用于合成氨变换气脱碳研究：先将烃类转化为变换气，再将变换气中的二氧化碳提纯至99.4%，再将氢气提纯至99.999%，99.999%的高纯氢气与来自空分的高纯氮气按体积比3:1混合，经压缩后去生产氨。变压吸附气体分离技术在这个过程中减少合成氨的步骤，简化操作流程，在变压吸附气体分离技术合成氨的过程中省去铜洗与甲烷化工段，在一定程度上节约整个操作的成本。变压吸附气体分离技术吸附尿素脱碳的整个过程中，氢气回收率可达95%，二氧化碳回收率可达94%。如今合成氨工艺中一般都是选择变压吸附气体分离技术进行脱碳[11]。

(2)在氢气的回收提纯中应用

以前由于传统的电解法提取氢气，会造成电能的消耗，一般是电解水得到氢气和氧气，但是这个技术的使用每有1Nm3氢气产生，就会消耗电6-7kW·h，这导致了电能的损耗以及损耗。目前的工业化生产中有大部分的含氢气源，如钢厂焦炉煤气、炼油厂含氢尾气等，如果可以在不损耗电能的前提下，又能提炼出所需要的氢气，这就需要变压吸附气体分离技术的运用，降低生产成本。

采用变压吸附法提纯氢气耗电不足0.5kW·h/Nm3。我国在1990年武汉钢铁公司首次建成提炼氢气的变压吸附装置，变压吸附气体分离装置的使用让生产氢气的能力提高到1000Nm3/h，而且该装置在焦炉中所提炼出的氢气纯度在99.999%。武汉钢铁公司运用变压吸附气体分离装置提取氢气后，我国其他钢铁企业也开始运用该技术对氢气进行提炼。变压吸附制氢操作过程中，其吸附压力一般在0.8-2.5MPa范围内，初期由于变压吸附气体分离技术不够成熟，在操作过程中由于吸附床内死空间的气体无法收集，造成浪费。这个难题现在终于得到解决，部分工业现在会采用多床变压吸附技术进行操作，在经过均压和顺向放压这两种不同的方式进行吸附床死空间中的气体进行回收。在多床变压吸附技术中四床流程所得到的产物其纯度在99%以上，纯度是非常之高的，而且四床变压吸附技术所得的氢回收率在75%-80%之间。在多床变压吸附技术中还有除了四床流程以外，还有五床、八床流程等。

在全世界最大的变压吸附气体分离制氢装置已经在我国神华集团煤制油项目中出现，而且试车也是成功的，在一定程度上也代表我国变压吸附气体分离技术的进步，已经达世界先进水平。该装置是采用4分组流程进行的。其中该装置的处理气量约为每小时34×104Nm3，而且该装置产生的氢能力约是每小时有28×104Nm3，并且产生的氢纯度可以达到99.9%，氢的回收率也是几乎大于90%的。

(3)在精馏尾气的回收中应用

变压吸附气体分离技术中使用的是特殊的吸附剂，可以在高压状态环境中选择性吸附尾气中的氯乙烯和乙炔，在没有被吸附的气体中就可以得到满足排放标准的净化气体，达到不污染空气的目的。运用真空泵降低压力抽空吸附床，让吸附剂上的氯乙烯与乙炔脱附，再回氯乙烯生产装置回收利用，这样在整个过程中吸附剂还能进行重新使用。工业中所生产的氯乙烯精馏尾气，在进行排放时需要达到相应的排放标准才能够排放到空气中，变压吸附气体分离技术就可以达到这个效果。由此在工业化行业中处理尾气就可以利用变压吸附气体分离技术，该技术对于解决尾气中的污染气体是有社会效益[13]。

(4)在甲烷的提纯中应用

天然气成分中自然是少不了各种烃类物质，其中天然气最重要的成分是甲烷，但是天然气成分中有部分是其甲烷的同系物，包括各类烃类杂质。对于部分工业而言想要得到以天然气为原料的化工产品，其主要需要解决的是天然气中甲烷的同系物，只有减少各类烃类杂质，才能得到纯度比较高的天然气产物。变压吸附气体分离技术就可以进行天然气净化，让天然气中的甲烷同系物杂质减少不到0.0001的范围内，从而提高天然气的纯度。到目前为止我国现存变压吸附气体分离技术天然气净化装置逐渐得到运用，在各大行业中投入使用。

我国拥有的煤是比较多的，所以在煤炭生产方面我国是大国，据相关数据显示，我国几乎年年采煤，在采煤的过程中所排放出的瓦斯多达1.2×1010m3，煤矿开采向大气排放甲烷总量排名在前。利用率仅占总排放量的5%-7%，采煤过程中产生的甲烷大部分跑到空气中，这无疑造成甲烷的浪费，而且在一定程度上会造成空气污染，不利于我国的发展。相关规定可以知道对于瓦斯浓度在30%以下的是无法使用的，所有在采煤的过程中，把排在大气中的瓦斯含量提升在80%以上，就可以作为高能燃料和化工原料；达到95%就并入天然气管道输送，在各大工业中得到再次利用，同时一定程度上减少大气环境污染，解决我国能源短缺。瓦斯不仅仅只是含甲烷，而且还包括部分二氧化碳，氮气，氧气。想要分离这些气体需要变压吸附气体分离技术的参与，根据二氧化碳和甲烷的各自性质可以知道两者之间的物理性质是非常大的，这就表明二氧化碳和甲烷比较易于分离的，目前瓦斯提纯含氮煤层气提纯是分离气体的重点。甲烷以及氮气的分离在变压吸附气体分离技术中目前基本实现，并且气体净化也已经基本上实现工业化生产，其中著名的UOP公司就有关于氮天然气净化的技术，也就是五床变压吸附净化技术，能实现将含天然气中把30%氮提纯到甲烷含量96.4%，同时达到甲烷利用率80%以上。在Nitrotec公司也有与UOP公司类似的技术，并且两个公司都分别申请了属于自己的专利，Nitrotec公司利用三塔变压吸附流程，将天然气中含30%的氮进行提纯后，可以得到纯度98%以上的甲烷，烃类回收率70%以上。这两个公司在气体提纯方面取得的巨大成就。在我国相关技术人员也开始重视采煤过程中气体的提纯研究，在未来几年里，我国在煤气层甲烷提纯方面也会有战绩，我国也会利用好变压吸附气体分离技术，将其发挥出更大的作用。

5.结论

变压吸附技术的诸多优点在未来有很大的发展空间，各国的研究人员不断的研究开发变压吸附技术，相信不久的将来变压吸附技术在工业中还有更大的贡献。变压吸附技术不仅会运用在各工业中，还会运用在各产生废气的行业中，对污染空气的气体进行净化，达到保护环境的作用。相信变压吸附气体分离技术不断发展创新，会有新的领域和空间。